專利名稱：五自由度精密定位平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米級控制及定位技術(shù)，特別是一種一體化結(jié)構(gòu)形式的五自由度精密定位平臺，可以實現(xiàn)納米級的定位精度。
背景技術(shù)：
在納米技術(shù)的研究工作中，納米級控制及定位技術(shù)被認為是納米技術(shù)的核心之一，為納米技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。納米級微定位技術(shù)在光學工程、生物工程、醫(yī)學工程、微型機電系統(tǒng)、超精密加工及測量等方面都有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)現(xiàn)有的納米定位機構(gòu)多為三個自由度以下，當需要多個自由度時，多采用模塊組合的方式實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)比較大，而且存在累積誤差，定位精度不高，動態(tài)性能較差。采用柔性鉸鏈形式的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，不僅加工和裝配不便，難以實現(xiàn)柔性機構(gòu)一體化加工的思想，而且控制過程復(fù)雜。此外并聯(lián)機構(gòu)通常采用驅(qū)動器內(nèi)置位移傳感器的方法將所測量值作為輸入量的根據(jù)，由于加工和裝配誤差及變形等因素，根據(jù)此輸入量解得出的理論上的輸出量與實際量有較大的誤差，同樣影響到定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種五自由度精密定位平臺，其特點應(yīng)是易于加工，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，位移分辨率高，頻率響應(yīng)快，控制簡單。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種五自由度精密定位平臺，采用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，其特征在于該平臺由基體及其底部的第一支座和第二支座構(gòu)成，該基體包含第一動平臺、第二動平臺和第三動平臺，其中第一動平臺實現(xiàn)x方向平動，第二動平臺實現(xiàn)y方向平動，第三動平臺實現(xiàn)z軸轉(zhuǎn)動，第一支座和第二支座單獨伸長，通過伸長量的同異帶動基體實現(xiàn)z方向平移和一維轉(zhuǎn)動，所述的第三動平臺分別通過第一轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈和第二轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈與底部的第一支座和第二支座連接。
所述的第三動平臺與基體通過四塊L形的彈性平板連接，第三動平臺與基體之間安放第三、第四壓電陶瓷驅(qū)動器，該兩個驅(qū)動器兩端分別與第三動平臺和基體的端面接觸。
所述的第二動平臺與第三動平臺通過四塊彈性板連接，該彈性板與第三動平臺和第二動平臺構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第三動平臺與第二動平臺之間安放第二壓電陶瓷驅(qū)動器，該驅(qū)動器兩端分別與第三動平臺和第二動平臺的端面接觸。
所述的第二動平臺與第一動平臺通過四塊彈性板連接，該彈性板與第二動平臺和第一動平臺構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第二動平臺與第一動平臺之間安放第一壓電陶瓷驅(qū)動器，該驅(qū)動器兩端分別與第二動平臺和第一動平臺的端面接觸。
所述的第一支座和第二支座的結(jié)構(gòu)相同，它由四邊八桿及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形雙連桿導向機構(gòu)。
所述的第一支座和第二支座的結(jié)構(gòu)相同，為四邊四桿及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形單連桿導向機構(gòu)。
所述的第一支座和第二支座可以通過改變連桿夾角a和長度l實現(xiàn)輸出輸入放大比。
所述的第一支座和第二支座置于第一動平臺之上，在第一支座和第二支座之上放置支撐平臺，該支撐平臺具有五自由度運動。
本發(fā)明的技術(shù)效果，經(jīng)實驗測試表明本發(fā)明五自由度精密定位平臺，可以實現(xiàn)納米級的定位精度，而且具有易于加工、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、位移分辨率高、頻率響應(yīng)快和控制簡單的特點。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明基體結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明支座結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明支座可以采用的單連桿導向機構(gòu)示意5是本發(fā)明支座置于動平臺之上的結(jié)構(gòu)示意6是柔性八桿四邊平行四邊形導向機構(gòu)原理示意圖具體實施方式
先請參閱圖1和圖2，圖1是本發(fā)明第一實施例整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明基體結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明五自由度精密定位平臺，采用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，該平臺由基體4及其底部的第一支座5和第二支座6構(gòu)成，該基體4包含第一動平臺1、第二動平臺2和第三動平臺3，其中第一動平臺1實現(xiàn)x方向平動，第二動平臺2實現(xiàn)y方向平動，第三動平臺3實現(xiàn)z軸轉(zhuǎn)動，第一支座5和第二支座6單獨伸長，通過伸長量的同異帶動基體4實現(xiàn)z方向平移和一維轉(zhuǎn)動，所述的第三動平臺3分別通過第一轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈7和第二轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈8與底部的第一支座5和第二支座6連接。
所述的第三動平臺3與基體4通過四塊L形的彈性平板3-1、3-2、3-3、3-4連接，第三動平臺3與基體4之間安放第三、第四壓電陶瓷驅(qū)動器9-3、9-4，該兩個驅(qū)動器9-3、9-4兩端分別與第三動平臺3和基體4的端面接觸。
所述的第二動平臺2與第三動平臺3通過四塊彈性板2-1、2-2、2-3、2-4連接，彈性板2-1、2-2、2-3、2-4與第三動平臺3和第二動平臺2構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第三動平臺3與第二動平臺2之間安放第二壓電陶瓷驅(qū)動器9-2，該驅(qū)動器9-2兩端分別與第三動平臺3和第二動平臺2的端面接觸。
所述的第二動平臺2與第一動平臺1通過四塊彈性板1-1、1-2、1-3、1-4連接，彈性板1-1、1-2、1-3、1-4與第二動平臺2和第一動平臺1構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第二動平臺2與第一動平臺1之間安放第一壓電陶瓷驅(qū)動器9-1，該驅(qū)動器9-1兩端分別與第二動平臺2和第一動平臺1的端面接觸。
所述的第一支座5和第二支座6的結(jié)構(gòu)相同，如圖3所示，它由四邊5-1、5-2、5-3、5-4八桿5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形雙連桿導向機構(gòu)。
所述的第一支座5和第二支座6的結(jié)構(gòu)相同，可具有如圖4所示的結(jié)構(gòu)，即由四邊5-1、5-2、5-3、5-4四桿5-5、5-6、5-7、5-8及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形單連桿導向機構(gòu)。
所述的第一支座5和第二支座6可以通過改變連桿夾角a和長度l實現(xiàn)輸出輸入放大比。
本發(fā)明第二實施例如圖5所示，所述的第一支座5和第二支座6置于第一動平臺1之上，在第一支座5和第二支座6之上放置支撐平臺10，該支撐平臺10具有五自由度運動。
如圖3所示，所述的第一支座5和第二支座6的結(jié)構(gòu)相同，如圖3所示，它由四邊5-1、5-2、5-3、5-4八桿5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形雙連桿導向機構(gòu)。
圖6是圖3所示的平行四邊形雙連桿導向機構(gòu)的簡圖，連桿5-2固定不動，側(cè)向連桿5-3、5-4在5-13內(nèi)部壓電驅(qū)動器的作用下向兩側(cè)運動，通過5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12構(gòu)成的平行四邊形導向結(jié)構(gòu)帶動連桿5-1做上下平動。當兩側(cè)支座5、6運動位移量相同時，帶動上層基體4做平動，位移量不等時，繞轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈7、8產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。如圖6所示，通過選擇圖示連桿夾角a及連桿長l，可以對輸出輸入位移量比值進行放大，此外，如圖4所示，支座5、6的八桿機構(gòu)構(gòu)成也可以采用單連桿導向的形式。如圖5所示，支座5、6也可以置于第一動平臺之上，此時支撐平臺10連接在支座5、6之上，由各導向機構(gòu)運動實現(xiàn)平臺10的五維運動。
經(jīng)實驗測試表明本發(fā)明五自由度精密定位平臺，可以實現(xiàn)納米級的定位精度，而且具有易于加工、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、位移分辨率高、頻率響應(yīng)快和控制簡單的特點。
權(quán)利要求
1.一種五自由度精密定位平臺，采用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，其特征在于該平臺由基體(4)及其底部的第一支座(5)和第二支座(6)構(gòu)成，該基體(4)包含第一動平臺(1)、第二動平臺(2)和第三動平臺(3)，其中第一動平臺(1)實現(xiàn)x方向平動，第二動平臺(2)實現(xiàn)y方向平動，第三動平臺(3)實現(xiàn)z軸轉(zhuǎn)動，第一支座(5)和第二支座(6)單獨伸長，通過伸長量的同異帶動基體(4)實現(xiàn)z方向平移和一維轉(zhuǎn)動，所述的第三動平臺(3)分別通過第一轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈(7)和第二轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈(8)與底部的第一支座(5)和第二支座(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于第三動平臺(3)與基體(4)通過四塊L形的彈性平板(3-1、3-2、3-3、3-4)連接，第三動平臺(3)與基體(4)之間安放第三、第四壓電陶瓷驅(qū)動器(9-3、9-4)，該兩個驅(qū)動器(9-3、9-4)兩端分別與第三動平臺(3)和基體(4)的端面接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于第二動平臺(2)與第三動平臺(3)通過四塊彈性板(2-1、2-2、2-3、2-4)連接，彈性板(2-1、2-2、2-3、2-4)與第三動平臺(3)和第二動平臺(2)構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第三動平臺(3)與第二動平臺(2)之間安放第二壓電陶瓷驅(qū)動器(9-2)，該驅(qū)動器(9-2)兩端分別與第三動平臺(3)和第二動平臺(2)的端面接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于第二動平臺(2)與第一動平臺(1)通過四塊彈性板(1-1、1-2、1-3、1-4)連接，彈性板(1-1、1-2、1-3、1-4)與第二動平臺(2)和第一動平臺(1)構(gòu)成一組雙層彈性平行板式移動導向機構(gòu)，第二動平臺(2)與第一動平臺(1)之間安放第一壓電陶瓷驅(qū)動器(9-1)，該驅(qū)動器(9-1)兩端分別與第二動平臺(2)和第一動平臺(1)的端面接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)的結(jié)構(gòu)相同，它由四邊(5-1、5-2、5-3、5-4)八桿(5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12)及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形雙連桿導向機構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)的結(jié)構(gòu)相同，為四邊(5-1、5-2、5-3、5-4)四桿(5-5、5-6、5-7、5-8)及其連接處的轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈組成平行四邊形單連桿導向機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)可以通過改變連桿夾角a和長度l實現(xiàn)輸出輸入放大比。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的五自由度精密定位平臺，其特征在于所述的第一支座(5)和第二支座(6)置于第一動平臺(1)之上，在第一支座(5)和第二支座(6)之上放置支撐平臺(10)，該支撐平臺(10)具有五自由度運動。
全文摘要
一種五自由度精密定位平臺，采用壓電驅(qū)動器驅(qū)動，其特征在于該平臺由基體及其底部的第一支座和第二支座構(gòu)成，該基體包含第一動平臺、第二動平臺和第三動平臺，其中第一動平臺實現(xiàn)x方向平動，第二動平臺實現(xiàn)y方向平動，第三動平臺實現(xiàn)z軸轉(zhuǎn)動，第一支座和第二支座單獨伸長，通過伸長量的同異帶動基體實現(xiàn)z方向平移和一維轉(zhuǎn)動，所述的第三動平臺分別通過第一轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈和第二轉(zhuǎn)動副柔性鉸鏈與底部的第一支座和第二支座連接。本發(fā)明五自由度精密定位平臺，可以實現(xiàn)納米級的定位精度，而且具有易于加工、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、位移分辨率高、頻率響應(yīng)快和控制簡單的特點。
文檔編號G12B5/00GK1588556SQ200410053300
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者王勇, 劉志剛, 薄鋒, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所